【行业动态】某电厂汽轮机多处叶片断裂，究其原因居然是腐蚀造成的？

作者：张元，硕士研究生，中国石油大学（华东）化学工程学院

在电厂的所有失效事故中，汽轮机叶片失效所占比例最大。疲劳断裂是汽轮机叶片失效类型中最常见的一种。汽轮机叶片所处的工况条件及环境极为恶劣，主要表现在应力状态、工作温度、环境介质等方面。当叶片发生断裂时，断口往往出现在叶片中部和叶片根部。在工作过程中，汽轮机动叶片承受的是转子旋转时离心力引起的拉应力，蒸汽流压力引起的弯曲应力和扭力；叶片受激振力作用会产生强迫振动，甚至引起共振，复杂的交变应力最终会导致叶片疲劳断裂。汽轮机的每一级叶片工作温度都不相同，第一级叶片所处的温度最高（500℃以上），随后由于蒸汽逐级作功，温度逐级降低，至末级叶片会降到100℃以下，蒸汽在汽轮机运行中易在末级叶片处凝结成小水滴，若蒸汽内存在腐蚀性元素，会与水形成电解液，吸附在叶片表面，形成微电池，造成电化学腐蚀。这些局部腐蚀点将成为叶片的薄弱点，失效也往往从这里起源。

图1 汽轮机叶片断裂形式

某电厂在汽轮机检修过程中发现汽轮机末5级（共17级）多处叶片断裂。断裂汽轮机叶片如图1所示，图1a）为叶片从根部断裂，图1b）为叶片从中部断裂。为分析叶片断裂原因，笔者对断裂叶片进行了检验与分析。

理化检验

宏观分析

取4片汽轮机断裂叶片进行分析，目视检查发现其中3片叶片断裂位于叶片根部，1片叶片断裂位于叶片中部，将叶片根部断裂的3片叶片分别命名为1，2，3号试样，将叶片中部断裂的叶片命名为4号试样，4个试样的断口宏观形貌如图2所示。

图2 叶片断口宏观形貌

根据断口形貌可将叶片断面分为A，B，C3个区域，叶片断面A区到B区较为平整，颜色从青黑色向青灰色过渡，判断A区为断裂源区；断面B区存在贝壳状花纹，可判断B区为裂纹扩展区；断面C区存在呈45°方向的剪切唇形貌，为瞬断区典型特征；该4片断裂汽轮机叶片的断口均为典型的疲劳断口，其中1号试样断口表面被白色物质覆盖。

金相检验

对4号试样进行金相检验，其显微组织形貌如图3所示，可见其显微组织为回火索氏体，为正常显微组织。

图3 叶片显微组织形貌

断口微观分析

对1-4号试样断口表面进行扫描电镜（SEM）分析，结果如图4所示。

图4 断口SEM形貌

可见1-3号试样断面上存在大量腐蚀产物；4号试样断裂源区存在大量腐蚀坑，有较多二次裂纹，并具有泥纹花样。

断口能谱分析

对1号试样的断口表面白色附着物及2~4号试样的断口表面进行能谱（EDS）分析，结果见图5及表1，可见断口表面存在钠、氯、硫等腐蚀敏感元素。

图5 汽轮机叶片断口的EDS分析位置和EDS谱

表1 汽轮机叶片断口EDS分析结果（质量分数）%

分析与讨论

由金相检验结果可知，叶片材料的显微组织为回火索氏体，为正常显微组织；由宏观分析可知，叶片断面形貌可清晰地分为断裂源区、裂纹扩展区和瞬断区。裂纹扩展区存在贝壳状花纹，瞬断区呈45°方向的剪切唇形貌，为典型的疲劳断口形貌；由SEM和EDS分析可知，断面存在大量腐蚀产物，有较多二次裂纹，并具有泥纹花样，存在钠、氯、硫等腐蚀敏感元素，表明该汽轮机叶片断裂属于典型的腐蚀疲劳断裂。

随着过热蒸汽的膨胀作功，末几级叶片工作温度逐渐降低（60~100℃），压力逐渐减小，蒸汽在此处易凝结成小水滴，蒸汽环境中的Cl－，S2－，Na＋等在液态水中浓缩聚集，形成电解液，被叶片金属吸附在表面，从而形成微电池，叶片上产生局部点腐蚀，形成腐蚀疲劳源。汽轮机叶片承受巨大离心力引起的拉应力（静应力）和蒸汽流的压力作用产生的弯曲应力和扭力，同时激振力致使产生强迫振动甚至引起共振，使得汽轮机叶片承受的交变应力急剧增加。在上述周期性交变应力的作用下，叶片产生疲劳裂纹，裂纹逐步扩展，最终因强度不足而断裂；一处叶片断裂后，转子动平衡遭到破坏，振动陡增，加之断裂叶片的撞击，加速了其余叶片的断裂。

该汽轮机末5级叶片位于机组低压加热器的进汽口之间，且低压加热器未投入运行。在运行过程中蒸汽不可避免进入低压加热器进汽口，蒸汽在低压加热器的进汽口附近极易凝结成液态水，并伴随着叶轮的旋转，液态水同蒸汽一同作用于叶片表面，加剧动叶片汽蚀。为方便叙述，特将此现象类比我国古代灌溉工具水车命名为“水车”现象。汽轮机某些叶片经常处于类似于此类位置的加热器或者阀门处，蒸汽不可避免地会在此类位置凝结成水，加剧了汽轮机叶片的汽蚀。

结论及建议

该汽轮机叶片断裂属于典型的腐蚀疲劳断裂，蒸汽与Cl－，S2－，Na＋等在叶片上产生局部点腐蚀，形成腐蚀疲劳源，同时因叶片存在离心力和蒸汽压力等复杂的周期性交变应力，最终造成了汽轮机叶片的腐蚀疲劳断裂。

建议加强水质的控制与监测，减少水中的腐蚀性离子；在运行过程中要避免急启、急停和工况的大幅变化，尽量减小交变应力和机组振动。